平動式嚙合電機的結構設計與基本特性研究.pdf

1、為了滿足機器人系統(tǒng)對續(xù)航能力和空間適應性的要求，本文提出了一種新結構、新原理的機器人關節(jié)用低速大扭矩電動機—平動式嚙合電動機．它是一種通過定轉子間磁阻的變化將電能轉化為機械能，在平行四邊形結構的約束下使轉子繞定子作圓周平動，進而可直接由轉子帶動擺線機構，利用擺線機構的減速作用輸出大扭矩的高集成度電動機。由于該電機通過擺線齒輪嚙合機構帶動負載，避免了直接驅(qū)動電機受負載不穩(wěn)影響較大的缺點，同時由于齒輪嚙合傳動，摩擦損失小、傳動效率高，因此該

2、結構較依靠定轉子之間的摩擦力輸出低轉速、大扭矩的超聲波及諧波減速電機有更高的效率和使用壽命。在本文中對該新型電機的運行機理、設計特點、磁場分布、穩(wěn)態(tài)運行性能及啟動特性進行了系統(tǒng)的理論分析，設計制造了原理樣機并進行了樣機試驗。 文中在對平動式嚙合電機的結構特點和運行原理進行詳細闡述的基礎上，將平動式嚙合電機的基本電磁原理與磁阻電機進行了比較，從能量轉換角度對平動式嚙合電機的基本性能和特點進行了分析。將平動式嚙合電機依據(jù)其功能分四大

3、部分作了較詳細的分析，列舉了四大機構演化出的具有實用前景的可選結構，并進行了結構間的性能比較。最終歸納出了實用性強，并具有理論研究價值的兩種具有典型平動式嚙合電機特征的結構組合，分別命名為平動電機和柔性平動電機，同時確立了平動式嚙合電機驅(qū)動電路的基本形式。 考慮到平動電機原理樣機的獨特結構，沿用磁阻電機的研究思路，采用有限元方法建立了該電機的二維磁場模型，對電機磁場分布和磁路特點進行了初步分析。通過獲得的不同轉角下磁化曲線簇，并

4、借助磁共能方法獲得了電機矩角特性。探討了電機的氣隙長度，定子極弧角度、定子軛厚等結構參數(shù)對電機轉矩特性的影響。最后采用非線性磁參數(shù)法建立了電機動態(tài)分析模型，并利用建立的磁參數(shù)庫和矩角特性曲線，對平動電機的穩(wěn)態(tài)和啟動特性進行了分析。 為了滿足電機優(yōu)化設計和實時控制的需要，針對平動電機的特殊結構建立了便于計算的等效磁路模型。該模型是在對平動電機二維磁場進行深入分析的基礎上，借用磁力線和等磁位線互換的方法，將磁力線分布不均勻的磁通管引

5、入到分析模型中，采用等效磁路法建立了非線性分析模型。該模型對電機磁場分布不均和磁路局部飽和現(xiàn)象進行有效處理，減少了模型中磁通管單元的數(shù)量，使模型簡化并兼顧了求解精度。在該分析模型的基礎上，推導出了電機繞組滿足的以繞組磁鏈為狀態(tài)變量的微分方程，建立了電機穩(wěn)態(tài)運行分析的數(shù)學模型。對電機單相導通狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)運行特性進行了仿真分析，其結果與非線性磁參數(shù)法所得結果相吻合。 為避免平動電機中轉子平動所引發(fā)的慣性力以及由其定轉子結構特點所決定

6、的磁路耦合現(xiàn)象，本文通過引入柔性機構，將定轉子磁極分開，避免了不同磁極磁路的耦合，在簡化結構的同時實現(xiàn)了定轉子相向運動，弱化了慣性力對電機整體運行的不良影響。使該類電機采用解析方法便可對磁路進行分析，柔性電機的有限元分析結果也表明該電機所用的解析方法在一定參數(shù)范圍內(nèi)具有較好的準確性。 柔性機構的加入，也使電機的機械部分的分析變得復雜，需要充分考慮柔性機構對電機整體性能的影響。因此本文著重對柔性鉸鏈在轉子運動過程中所產(chǎn)生的彈性變形